Quando il primo pacemaker è stato impiantato nel 1958, i pacemaker sono stati utilizzati principalmente nei pazienti con blocco AV completo, cioè in completa assenza di conduzione atrio-ventricolare. I dispositivi erano letteralmente salvavita per questi pazienti. Poiché i pacemaker sono migliorati, ora questi pacemaker sono più usati per pazienti con la malattia del nodo del seno che per il blocco AV. Ciò è dovuto all'invecchiamento della popolazione e all'uso diffuso di betabloccanti, che
vengono utilizzati principalmente come antiaritmici, come antipertensivi e
antianginosi. Proteggono il cuore dagli effetti catecolaminergici tossici. Più recentemente, l'uso di tecniche di ablazione del catetere a radiofrequenza applicato a pazienti con fibrillazione atriale cronica ha creato una popolazione di pazienti in grado di adeguare adeguatamente le proprie frequenze cardiache. L'importanza del corretto battito cardiaco diventa evidente nel riesame dell'equazione di uscita cardiaca:
Gittata cardiaca = Frequenza cardiaca × Gittata sistolica
Nei pazienti con contrazione cardiaca normale, il volume del colpo aumenta fino al suo punto massimo quando è stato raggiunto solo il 40% dello sforzo massimo . Pertanto, aumentare la frequenza cardiaca è molto importante durante l'esercizio per essere in grado di raggiungere la massima gittata cardiaca. I pazienti con piccola gittata sistolica come quelli con cardiomiopatia dilatata, non sono in grado di aumentare efficace la loro produzione cardiaca in seguito a cambiamenti di contrattilità. Devono fare affidamento interamente sui cambiamenti della frequenza cardiaca per aumentare la gittata cardiaca. La necessità di modificare la frequenza di pacing in proporzione alle esigenze metaboliche è diventata essenziale per normalizzare la risposta emodinamica ( cambiamento di ossigeno nei capillari) per quanto possibile. I pazienti che non sono in grado di modificare le proprie frequenze cardiache per soddisfare le richieste metaboliche, sono considerate "incompetenza cronotropa". Una persona che ha fibrillazione atriale e blocco completo atrioventricolare avrebbe l'incompetenza cronotropa assoluta. Al contrario, un paziente che ha una normale frequenza cardiaca di riposo, ma può raggiungere solo il 50% della sua frequenza cardiaca stimata (220 anni in anni) ha una relativa incompetenza cronotropa. Per i pazienti con incompetenza cronotropa, l'uso di un pacemaker standard DDD, VVI o AAI non fornisce le variazioni dinamiche di velocità
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necessarie per raggiungere o superare le esigenze emodinamiche delle attività quotidiane. Pertanto, sono stati sviluppati sensori artificiali per compensare questa mancanza di risposta cardiaca normale che il normale nodo del seno normalmente fornisce.
Alcuni dei sensori che sono stati studiati per fornire la modulazione della frequenza cardiaca sono:
• Vibrazione • Accelerometro
• Temperatura venosa centrale • Minima ventilazione
5.1) Attività/vibrazione
Questo metodo di aggiustamento della frequenza di stimolazione utilizzando un sensore è stato il primo ad essere approvato dalla “Food and Drug Administration” degli Stati Uniti. Un cristallo piezoelettrico che genera un segnale elettrico quando vibrato o stressato è legato all'interno del pacemaker. Quando il paziente cammina, le vibrazioni del corpo vengono trasmesse attraverso il pacemaker provocando una
generazione elettrica dal cristallo.
Queste vibrazioni di solito si verificano durante e in proporzione al livello di attività fisica del paziente. L'uscita elettrica del sensore è proporzionale alle vibrazioni. La risposta del pacemaker alla vibrazione del corpo viene regolata programmando una soglia di soglia e di pendenza, nonché una velocità minima e massima. Possono essere programmate altre regolazioni come il tempo di reazione e di recupero (anche denominato tempo di accelerazione e decelerazione). Gli ultimi dispositivi possono regolare in modo autonomo questi parametri. Il grande vantaggio della stimolazione a vibrazioni è la semplicità. Una tecnica standard di impianto, l'uso di conduttori unipolari o bipolari standard, un basso scarico di corrente e l'uso diffuso di questo tipo di sistema sono i punti di forza dei sensori di attività. Nuoto e bicicletta sono
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due delle attività più comuni che i dispositivi a base di vibrazioni non gestiscono bene.
La risposta può essere migliorata se il dispositivo è programmato per essere più sensibile alla vibrazione, ma poi risponderà alla normale camminata. I ciclisti affrontano l'ulteriore problema delle risposte paradossali del sensore, infatti quando ciclista inizia ad andare su per una collina, il tasso di pedalata rallenta e le vibrazioni diminuiscono. Ciò comporta un rallentamento della frequenza stimolata in un momento in cui è necessaria una velocità maggiore. Abbiamo insegnato ad alcuni dei nostri ciclisti di raggiungere con una mano e toccare il pacemaker per causare il sensore ad aumentare la velocità di stimolazione. Questa tecnica può essere utilizzata anche per pazienti con ipotensione ortostatica (brusco calo della pressione sanguigna in seguito all'improvviso passaggio dalla posizione seduta o sdraiata (clinostatismo) a quella eretta (ortostatismo)). Prima che il paziente sale dalla posizione supina, può toccare il pacemaker causando un aumento della velocità di stimolazione. La frequenza cardiaca più elevata aiuta ad aprire la caduta della pressione sanguigna quando il paziente si muove verso la posizione eretta.
La programmazione di un dispositivo di vibrazione può essere piuttosto complessa. In un dispositivo che non dispone di funzioni automatiche o algoritmi basati su programmatori per aiutare a impostare questi parametri, è necessario regolare manualmente tutti questi parametri. Anche su alcuni dispositivi dotati di algoritmi automatici, le risposte appropriate non vengono sempre raggiunte. Su tutti i pacemaker a sensore i primi parametri da impostare sono la frequenza inferiore e superiore. La modifica di uno di questi dopo l'impostazione degli altri parametri può modificare significativamente la risposta del pacemaker. La prossima impostazione da affrontare è la soglia.
Questo imposta il livello più basso di uscita dal sensore (o il livello più basso di attività che il pacemaker può riconoscere) che causerà il tasso di stimolazione in aumento. Tutti i segnali del sensore che superano il livello di soglia saranno contati e utilizzati per regolare la frequenza di stimolazione. Le impostazioni della soglia possono essere numeriche (i numeri più bassi riflettono una soglia inferiore e più reattiva), o descrittivi (ad esempio basso, medio e alto). Per scegliere la soglia giusta si fa fare al paziente una passeggiata lungo un corridoio in modo normale e regolare la
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soglia in modo che ad una ragionevole risposta del sensore si verifichi una risposta. Se non si verifica una risposta del sensore, è necessario abbassare la soglia. Se si verifica una risposta eccessiva, la soglia è aumentata.
Dopo la regolazione della soglia, viene impostato la pendenza. Questo parametro è responsabile del pacemaker che raggiunge una velocità desiderata per una data quantità di attività. Può rispondere al numero di "conteggi" del sensore che superano il valore di soglia o può utilizzare l'integrale delle aree generate dall'attività del sensore sopra la soglia.
In entrambi i casi, aumentando la pendenza si otterrà un aumento della frequenza di pacing per la stessa quantità di attività. La risposta del pacemaker dipenderà anche dalla forma della pendenza utilizzata in un pacemaker particolare. Alcuni utilizzano un algoritmo lineare mentre altri usano uno che è curvilineo.
L'uso di un tempo di reazione e di recupero è necessario su dispositivi basati su vibrazioni. Ciò è dovuto al fatto che quando il paziente inizia a camminare la risposta del sensore passa da zero ad un valore aumentato. Uno non vuole che la frequenza cardiaca "salti" al tasso di destinazione in un paio di battiti.
Il tempo di reazione / accelerazione consente un graduale aumento della velocità di pacing al nuovo tasso di destinazione. Al contrario, quando il paziente si arresta, il tasso di vibrazione e l'uscita del sensore penzolano a zero. Poiché non sarebbe fisiologico per la caduta improvvisa della frequenza cardiaca, viene programmato un tempo di recupero / decelerazione per facilitare la velocità fino al limite di velocità più basso. Alcuni algoritmi del tempo di recupero consentono una diminuzione della frequenza cardiaca proporzionale alla durata del tempo in cui il paziente era attivo. Sebbene molti pazienti fanno bene le impostazioni "out of the box" per questi due parametri, i pazienti con scarso output cardiaco possono beneficiare di tempi di reazione più rapidi e tempi di recupero più lunghi.
a) Tempo di
accelerazione/reazione: una volta determinata la frequenza cardiaca target, il tempo di accelerazione determinerà quanto velocemente verrà raggiunta questa nuova velocità.
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b) Tempo di decelerazione/recupero: quando l'attività viene interrotta, il tempo di decelerazione determinerà quanto tempo richiederà la frequenza stimata per ritornare alla base.
5.2) Accelerometro
Una variazione sui sistemi basati su vibrazioni è l'accelerometro. Questo può essere basato su un cristallo piezoelettrico legato ad una piattaforma che viene poi collegata alla scheda del pacemaker o un componente specializzato progettato per rispondere al movimento. Questi dispositivi dispongono di tutte le stesse caratteristiche e i vantaggi dei dispositivi basati sulle vibrazioni, ma meno probabilità di avere risposte spurie. Sebbene sia più sensibile a movimenti diversi da quelli della camminata e che funzionano meglio rispetto a dispositivi a vibrazione, l'errore di rispondere in modo inappropriato a determinati tipi di attività (come andare in bicicletta) rimane un problema. La programmazione di questi dispositivi è sostanzialmente uguale a quella con il tipo di vibrazione del sensore.
a) Piezoelettrico montato sulla piattaforma. b) Cristallo piezoelettrico a sbalzo.
c) ponte sospeso a tre strati di silicio. d) Sfera metallica in camera ellittica.
La figura sopra mostra quattro tipi di sensori di accelerometro, noi ne analizzeremo alcuni:
• Un tipo mette un cristallo piezoelettrico su una "piattaforma di immersione" montata sulla scheda a circuito piuttosto che direttamente sul pacemaker. Questo isola il cristallo dalla maggior parte delle vibrazioni, ma permette di essere flesso con movimento avanti e indietro.
• Un altro tipo utilizza materiale piezoelettrico e lo pone tra due pesi. Mentre il paziente si muove, i pesi flettono il materiale che genera segnali elettrici. Una
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variante di questo utilizza un peso sospeso da catene in modo che si muova avanti e indietro con il movimento del corpo.
• Infine, una piccola sfera di metallo che si muove all'interno di una camera ellittica quando il paziente si muove disturba un campo elettrico e fornisce i segnali necessari per modulare la velocità di stimolazione.
5.3) Temperatura centrale venosa
Il primo vero sensore metabolico approvato per l'uso negli Stati Uniti si basava sulla misurazione della temperatura del sangue nel ventricolo destro. Questa metodologia è diventata solo di importanza storica, in quanto non viene più prodotta. Quando il paziente diventa fisicamente attivo, l'attività muscolare genera calore che riscalda il sangue. Poiché questo sangue torna alla circolazione centrale, un termistore nel pacemaker provoca l'aumento della temperatura.
Il tasso di stimolazione è quindi aumentato proporzionalmente all'aumento della temperatura. Sono programmati una frequenza minima e massima, nonché una pendenza e una frequenza intermedia. Altri parametri possono richiedere anche la programmazione. I sistemi basati sulla temperatura a volte sono lenti per rispondere a causa di una caduta iniziale della temperatura del sangue all'inizio dell'esercizio. La goccia è causata da sangue che era circolato lentamente (e quindi raffreddamento) nelle estremità che tornano al cuore all'esercizio dell'esercizio fisico. Il sangue fresco di ritorno effettivamente causerà una caduta iniziale della temperatura del sangue venoso centrale e ritarda la risposta del sensore. I migliori algoritmi approfittano della caduta di temperatura iniziale per segnalare l'esordio dell'esercizio fisico. La goccia causerà il pacemaker ad aumentare la frequenza di stimolazione al tasso intermedio. Attenderà quindi la temperatura inizia a salire. Se non si verifica un aumento, la velocità ritornerà al limite inferiore. Come si vede nella figura a lato che mostra il grafico della temperatura venosa centrale rispetto all’aumento dell’esercizio nel tempo. Con questo tipo di sistema un aumento della temperatura venosa centrale porta ad aumentare la velocità di
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stimolazione. La curva A è di un paziente con cardiomiopatia dilatata e insufficienza cardiaca congestizia che mostra la caduta iniziale della temperatura quando il sangue fresco torna alla circolazione centrale. La curva B è di un paziente con un ventricolo normale. La caduta è più pronunciata nei pazienti con insufficienza cardiaca povera. Anche se questo sistema è basato su un parametro metabolico può rispondere in modo inappropriato ai cambiamenti di temperatura causati da febbre, bagni e ad avere assunto liquidi caldi. L'affidabilità non è stata altrettanto buona quanto con i dispositivi in cui il sensore si trova all'interno del pacemaker.
5.4) Ventilazione minima (Cambiamento di impedenza della parete del torace) L'individuazione delle variazioni della frequenza respiratoria e della profondità è diventata un parametro metabolico affidabile da utilizzare per il pacing. La ventilazione minima è strettamente connessa in modo lineare alla velocità di lavoro e all'assorbimento di ossigeno. I pacemaker che utilizzano la ventilazione minima come sensore sono in grado di determinare un'approssimazione della ventilazione minima utilizzando la tecnica della misura della resistenza del torace (pletismografia dell'impedenza toracica).
• Percorso A: questa tecnica utilizza piccoli impulsi di corrente elettrica forniti tra il pacemaker e l'elettrodo anulare (anodo) del cavo . Questi non sono abbastanza forti o abbastanza a lungo per stimolare il cuore, essendo nell'intervallo di 1mA in forza e 15 microsecondi in durata. Il pacemaker misura quindi le variazioni di tensione tra il pacemaker e la punta del cavo (catodo)
• Percorso B: Il sistema utilizza la quantità nota corrente erogata e la tensione misurata per calcolare i cambiamenti di impedenza (resistenza) attraverso la parete toracica utilizzando una riformulazione della legge dell'Ohm (Resistenza = Voltaggio / Corrente).
La frequenza di variazione della resistenza è uguale alla velocità respiratoria e il grado di variazione è proporzionale al volume respiratorio. Questo produce una approssimazione del volume ventilatorio al minuto. Mentre il volume ventilatorio al
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minuto aumenta la velocità di stimolazione aumenta proporzionalmente. Sono impostati i tassi minimi e massimi, nonché una pendenza. Il vantaggio di questo tipo di sistema è l'utilizzo di un vero parametro metabolico per modificare le variazioni di velocità. Lo svantaggio è la necessità di un cavo bipolare e la reazione lenta all'esercizio fisico. Tuttavia, è molto preciso durante la fase di recupero. Le sole controindicazioni per l'utilizzo di questo sensore sono in pazienti che possono superare 60 respiri al minuto. Inoltre non è raccomandato per gli impianti dove il pacemaker è posto in una tasca addominale. Questo tipo di sensore risponde bene ad una grande varietà di esercizi e di esigenze emotive in quanto è legata a un vero parametro metabolico.